1960 年代，英國醫(yī)生 Grey Walter 為確認(rèn)癲癇病人的腦內(nèi)病灶，在其貼近大腦皮層的地方放了電極，清晰地獲取了病人的神經(jīng)活動。這仿佛為 Grey Walter 打開了新世界的大門，突發(fā)奇想之下他把電極連接到自制的“電位轉(zhuǎn)換器”上，竟讓癲癇病人實現(xiàn)了「意念控制幻燈片切換」，這便是腦機接口技術(shù)的第一次完整實現(xiàn)。

時至今日，腦機接口技術(shù)雖未真正大規(guī)模落地，但我們對其已不再陌生，即便爭議時常存在，技術(shù)突破也從未停歇——2021 年 5 月 13 日，腦機接口領(lǐng)域最新突破登上了本期知名學(xué)術(shù)期刊 Nature 的封面。

借助斯坦福大學(xué)設(shè)計出的新型腦機接口系統(tǒng)，截癱患者可以用意念打字。

患者打出單詞 battle 的速度與常人手機打字速度相差并不多，很難想像這是通過意念控制做到的。

其實早在 2017 年已有通過植入式腦機接口使患者實現(xiàn)意念打字的先例，很明顯，最新的腦機接口系統(tǒng)大大提升了打字速度。

官方給出的數(shù)據(jù)是，這一系統(tǒng)下，患者每分鐘可輸入 90 個字符，而此前「意念打字」速度最多只達到每分鐘 60 個字符（注：常人打字速度為每分鐘 115 個字符）?？梢?，這一系統(tǒng)在速度上有了顯著提升。

除了速度，準(zhǔn)確率也是一項關(guān)鍵因素——據(jù)了解，最新系統(tǒng)打字的原始準(zhǔn)確率為 94.5%，經(jīng)語言模型自動校正后的準(zhǔn)確率能達到 99.2%。

2021 年 5 月 12 日，相關(guān)研究成果發(fā)表于 Nature，題為 High-performance brain-to-text communication via handwriting（通過手寫實現(xiàn)的高性能大腦-文字交流）。

論文作者主要來自斯坦福大學(xué)（霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所 HHMI、醫(yī)學(xué)院神經(jīng)外科、電氣工程系、Wu Tsai 神經(jīng)科學(xué)研究所、Bio-X 研究所、生物工程系、神經(jīng)生物學(xué)系）、美國退伍軍人事務(wù)部神經(jīng)修復(fù)和神經(jīng)技術(shù)研發(fā)中心、布朗大學(xué)（工程學(xué)院、Carney 腦科學(xué)研究所）及哈佛醫(yī)學(xué)院麻省總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科神經(jīng)技術(shù)與神經(jīng)康復(fù)中心。

實際上，這一研究是美國企業(yè) BrainGate 臨床試驗的一部分，主要由布朗大學(xué)工程學(xué)院教授、重癥監(jiān)護神經(jīng)學(xué)家 Leigh Hochberg 博士指導(dǎo)。

交流速度如何跟上思考？

在平時敲鍵盤的過程中，我們不難注意到一點，人腦思考的速度往往要比交流的速度快得多。而對于嚴(yán)重癱瘓的患者而言，這種問題則顯得尤為突出。

針對不便交流的群體，目前已有輔助打字設(shè)備進入商用。這種設(shè)備主要基于使用者的眼球運動或語音命令。據(jù)了解，一種眼球追蹤鍵盤可使癱患者每分鐘輸入約 47.5 個字符，速度明顯低于常人打字速度；不僅如此，對于那些因癱瘓影響到眼球運動或發(fā)聲的患者而言，這一技術(shù)將有著很大的局限性。

相比之下，腦機接口技術(shù)則可通過解讀大腦活動模式來恢復(fù)患者的特定功能。

【借助腦機接口，猴子也能打游戲】

具體到打字任務(wù)上，腦機接口技術(shù)可以基于神經(jīng)活動，建立分類算法來預(yù)測用戶想要選擇的字母，解決鍵入任務(wù)：

• 非侵入性腦機接口可向患者提供順序的視覺提示，分析用戶對提示的神經(jīng)反應(yīng)，從而確定他們想敲打的字母。

• 侵入式腦機接口則是在大腦中植入電極，使用戶控制光標(biāo)、選擇字母鍵。
  

基于這一點，研究團隊希望通過設(shè)計一種用于打字的腦機接口系統(tǒng)，使得截癱患者按其思維速度進行交流。

意念打字如何實現(xiàn)？

據(jù)悉，研究團隊設(shè)計的新型腦機接口系統(tǒng)原理為：

首先，在用戶想象要寫的字母時，大腦電極測量神經(jīng)元活動（注：下圖中的線條表示神經(jīng)元發(fā)射的時間點）。

接著，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）學(xué)習(xí)每個字母產(chǎn)生的神經(jīng)活動模式，并分析這些活動模式在多個試驗中的關(guān)系，從而生成聚類圖。

最后，算法基于上述信息預(yù)測用戶所想象的字母，并將該預(yù)測實時輸出。

基于上述原理，研究團隊的做法是：

1. 對一個原本為語音識別而開發(fā)的機器學(xué)習(xí)算法進行改寫，

2. 構(gòu)建一個數(shù)據(jù)集（數(shù)據(jù)集中包含與每個字母相對應(yīng)的神經(jīng)活動模式），

3. 使用數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練分類算法。

據(jù) Nature 介紹：

為評估手寫的神經(jīng)表征，受試者需要按照電腦屏幕給出的指令一次 “手寫” 一個字符，每個字母重復(fù) 27 次試驗。

研究表明：

上述算法在有限的訓(xùn)練數(shù)據(jù)下也能很好地運行，但隨著神經(jīng)活動模式的改變，可能需要做進一步的研究，以使該設(shè)備在其生命周期內(nèi)保持穩(wěn)定的性能。

值得一提的是，論文一作 Frank Willett 博士還通過推特表示會將整個研究的代碼和神經(jīng)數(shù)據(jù)開源。

下圖為此次植入患者大腦的微型電極陣列，據(jù)了解，參與試驗的患者為一名 65 歲男性，頸部以下因脊髓損傷而癱瘓，研究團隊在患者與右臂運動相關(guān)的大腦區(qū)域內(nèi)放置了兩枚微型電極。

寫在最后

這一研究無疑是一次重要突破。

Nature 表示：

這一突破拓寬了侵入式腦機接口應(yīng)用落地的前景，使用了機器學(xué)習(xí)方法，為腦機接口技術(shù)的改進提供了一條樂觀的思路。

加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)工程師 Jose Carmena 表示：

盡管技術(shù)還處于起步階段，但這仍是一大進步。

美國國立衛(wèi)生研究院腦科學(xué)計劃主任 John Ngai 表示：

這一研究代表了腦機接口和機器學(xué)習(xí)發(fā)展的重要里程碑，為未來改善神經(jīng)損傷和癱瘓患者的生活提供了重要基礎(chǔ)。

國內(nèi)有專家表示：

相比于 Neualink 的研究成果，這一研究可以說是真正的技術(shù)創(chuàng)新。原因在于，Neualink 的優(yōu)勢在于神經(jīng)界面能夠高通量地?zé)o線傳輸神經(jīng)信號，但（猴子打游戲）任務(wù)屬于一維控制，其實是非常簡單的。

當(dāng)然，上述褒獎之外，我們也要意識到，腦機接口仍有很大的發(fā)展空間。僅針對這一研究，Nature 就提出了潛在發(fā)展路徑：

在 26 個英文字母中，有這樣幾個字母的書寫方法相似（r、v 和 u），因此較難分類。但在其他語言中，比如泰米爾語就存在有 247 個相似字母，可能比起英語很難分類。因此，該方法如何能擴展到或轉(zhuǎn)換為其他語言，是科學(xué)家們后續(xù)需要思考的問題。

華盛頓大學(xué)生物工程系專家 Pavithra Rajeswaran、華盛頓大學(xué)電氣和計算機工程系專家 Amy L. Orsborn 一致認(rèn)為：

將電極植入大腦的費用和風(fēng)險是否合理仍需論證。

眾所周知，在腦機接口領(lǐng)域，包括 Neuralink 在內(nèi)的國外企業(yè)已有了一定進展；進入 2021 年，國內(nèi)多家腦機初創(chuàng)企業(yè)也加速融資、騰訊阿里等大廠亦有相關(guān)布局。而在學(xué)術(shù)方面，浙江大學(xué)、TCCI（陳天橋雒芊芊研究院）等科研院所近兩年也做出了重要科研進展。

腦機接口技術(shù)日新月異，未來還將如何進步，我們拭目以待。

引用來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03506-2

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00776-8

https://www.brown.edu/new網(wǎng)s/2021-05-12/handwriting

https://www.youtube.com/watch?v=wyFj3yl3Aik

https://mp.weixin.qq.com/s/84O4_-mKQs2ixnJghZTVgw

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